TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Tecnologia em evolução
José Maurício de Barros Bezerra
TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Tecnologia em evolução
Transmissão de energia elétrica: tecnologia em evolução.
© 2025 José Maurício de Barros Bezerra
Editora Edgard Blücher Ltda.
Publisher Edgard Blücher
Editor Eduardo Blücher
Pré-produção Aline Flenic
Coordenador editorial Rafael Fulanetti
Coordenadora de produção Ana Cristina Garcia
Produção editorial Lidiane Pedroso Gonçalves e Andressa Lira
Preparação de texto Ana Lúcia dos Santos
Diagramação Alessandra de Proença
Revisão de texto Maurício Katayama
Capa Laércio Flenic
Imagem da capa Carlos Eduardo Lima Bezerra
Rua Pedroso Alvarenga, 1245, 4 o andar 04531-934 – São Paulo – SP – Brasil
Tel.: 55 11 3078-5366 contato@blucher.com.br www.blucher.com.br
Segundo o Novo Acordo Ortográfico, conforme 6. ed. do Vocabulário Ortográfico da Língua Portuguesa, Academia Brasileira de Letras, julho de 2021.
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Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Angélica Ilacqua CRB-8/7057
Bezerra, José Maurício de Barros
Transmissão de energia elétrica: tecnologia em evolução / José Maurício de Barros Bezerra. – São Paulo: Blucher, 2025.
282 p.: il.
Bibliografia
ISBN 978-85-212-2248-4
1. Energia elétrica – Transmissão I. Título
24-3782
CDD 621.3192
Índices para catálogo sistemático:
1. Energia elétrica – Transmissão
Agradecimentos
3.2 O surgimento de novos condutores
3.3 Considerações finais sobre cabos condutores
3.4 Pontos para reflexão.
Referências
4 . Isoladores para linhas de transmissão
4.1 Breve histórico sobre o desenvolvimento dos isoladores
4.2 Características básicas dos isoladores
4.3 Aspectos normativos para dimensionamento de cadeias de isoladores
4.4 Considerações finais sobre isoladores
4.5 Pontos para reflexão
5 . Ferragens e acessórios para linhas de transmissão
5.1 O grampo de suspensão
5.2 Amortecedores de vibração
5.3 Espaçador amortecedor
5.4 Ferragens para as cadeias de isoladores
5.5 Anéis equalizadores
5.7 Considerações finais sobre ferragens e acessórios para linhas de transmissão.
5.8 Pontos para reflexão
6.1 Dimensionamento básico das estruturas 73
6.2 Estruturas especiais
6.3 Materiais para composição das estruturas
6.4 Considerações sobre o balanço da cadeia de isoladores
6.5 Projetos de estruturas
6.6 Estruturas: conceito e temáticas 83
6.7 Considerações finais sobre estruturas para linhas de transmissão 84
6.8 Ponto para reflexão
7 . Impactos ambientais de linhas de transmissão
7.1 Impactos físico-bióticos
7.2 Impactos socioeconômicos
7.3 Custos ambientais de sistemas de transmissão de energia elétrica 90
7.4 Estado da arte relacionado aos efeitos biológicos causados por instalações de alta-tensão
7.5 Efeitos eletrostáticos de uma linha de transmissão – o efeito corona . . . . 93
7.6 O campo elétrico em uma linha de transmissão 96
7.7 Métodos para cálculo das interferências eletromagnéticas
7.8 Formas de minimização dos impactos eletromagnéticos
7.9 Aspectos econômicos do efeito corona
7.10 Considerações finais sobre impactos ambientais em linhas de transmissão.
7.11 Pontos para reflexão .
8 . Proteção de linhas de transmissão contra descargas atmosféricas
8.1 A formação das descargas atmosféricas
8.2 Propriedades das descargas atmosféricas
8.3 Efeitos das descargas no sistema de potência
8.4 O uso de cabos para-raios
8.5 Incidência de descargas nas subestações
8.6 Incidência de descargas nas linhas de transmissão
8.7 Queda de descargas atmosféricas na proximidade de linhas de transmissão
8.8 Considerações finais sobre proteção de linhas contra descargas atmosféricas
9 . O processo de energização de uma linha de transmissão
9.2 O conceito de ondas viajantes
de treliças
9.5 Exemplo com o uso do aplicativo ATP
9.6 Modelagem mais precisa e reflexos no processo de energização
9.7 O conceito de comprimento de onda de uma linha
9.8 Operação da linha na potência natural/característica
9.9 Contextualização tecnológica
9.10 Considerações finais sobre o processo de energização de uma
linha de transmissão
9.11 Pontos para reflexão
Referências
10 . Desenvolvimento e aplicação de modelos aproximados para linhas de transmissão
10.1 O conceito de linha curta
10.2 O conceito de linha média
10.3 O conceito de linha longa.
10.4 A linha como um quadripolo
10.5 Relações de potência nos terminais da linha
10.6 Compensação de linhas de transmissão
10.7 Considerações finais sobre a aplicação de modelos aproximados para linhas de transmissão
10.8 Pontos para reflexão
Referências .
11 . Cálculo e medição de parâmetros elétricos de linhas de transmissão
11.1 Metodologia de cálculo dos parâmetros elétricos 202
11.2 Rotinas computacionais para cálculo dos parâmetros elétricos 239
11.3 Medição de parâmetros elétricos de linhas de transmissão –medição direta
11.4 Medição de parâmetros elétricos de linhas de transmissão –sincrofasores
11.5 Considerações finais sobre cálculo e medições de parâmetros elétricos
11.6 Pontos para reflexão
12.1 Estrutura de manutenção
12.2 Foco especial nas inspeções
12.3 Conceitos básicos de manutenção
12.4 Indicadores técnicos gerenciais
12.5 Considerações finais sobre confiabilidade da transmissão
12.6 Pontos para reflexão
13 . Modelagem eletromecânica de linhas de transmissão .
13.1 A curva de carregamento de uma linha de transmissão
13.2 Metodologia para aferição dos limites operacionais
13.3 Aspectos mecânicos a serem considerados
13.4 Considerações especiais em regime de curta duração
13.5 O cálculo por meio de rotina computacional
13.6 Considerações finais sobre o comportamento eletromecânico da linha de transmissão
13.7 Ponto para reflexão
Referências
14 . Tecnologias para recapacitação de linhas de transmissão e considerações finais
CAPÍTULO 1
Concepção
e operação
de linhas de transmissão
Nos estudos de um sistema de potência, surge a necessidade de geração e transmissão da energia elétrica no sentido de atendimento às diversas demandas por esse insumo essencial à sociedade moderna, conforme exemplo ilustrativo registrado na Figura 1.1.
Figura 1 1 Foto de linhas de transmissão – região metropolitana de Recife. Fonte: Carlos Eduardo L. Bezerra.
Nesse contexto, as distâncias entre a fonte de geração e os centros de consumo nem sempre são pequenas, caracterizando a necessidade de linhas de transmissão extensas e de elevadas classes de tensão. Esses estudos envolvem ações detalhadas de planejamento, projeto, construção e comissionamento, até se chegar às fases de operação, manutenção e monitoração propriamente ditas. O passar dos anos pode levar a linha concebida à submissão de processos de recapacitação, diante da superação dos seus limites operacionais.
A etapa de planejamento envolve principalmente as seguintes subetapas: escolha do traçado (vide Figura 1.2, gentilmente cedida pela Chesf), estudos de impacto ambiental, definição da classe de tensão, estudos da geometria da torre, escolha do condutor e definição do limite térmico.
Já a etapa de projeto procura detalhar as diversas premissas básicas levantadas no planejamento, conforme apresentado na Figura 1.3, incorporando as seguintes subetapas: levantamento topográfico, projeto de locação das torres, definição de alturas, projetos de fundações, ferragens, acessórios e aterramento (Fuchs, 2015).
Figura 1 .2 Imagem de satélite para escolha de traçado de linha de transmissão. Fonte: adaptada de foto gentilmente cedida pela Chesf.
CAPÍTULO 2
Monitoração,
manutenção e recapacitação de linhas de transmissão
Neste capítulo, serão avaliadas três ações fundamentais a serem empreendidas sobre uma linha de transmissão: a monitoração, a manutenção e a recapacitação.
2.1 MONITORAÇÃO
A monitoração de parâmetros eletromecânicos de linhas de transmissão é uma ação fundamental na aferição do seu estado operacional, não apenas com o enfoque no desencadeamento de ações preditivas rotineiras, mas também com o intuito de aferir com precisão a vida útil remanescente de seus componentes, visando a uma avaliação econômica criteriosa da viabilidade de recapacitação da instalação.
Dentre os parâmetros que requerem uma avaliação permanente, por meio da análise de registros estatísticos ou instrumentações adequadas, pode-se citar: indicadores de desempenho, vibrações eólicas, resistência de pé de torre, temperatura de conexões, alturas condutor-solo, oxidação de ferragens, poluição de isoladores e oxidação de condutores.
Os indicadores de desempenho (taxas de falha permanente e transitória, principalmente) são registros estatísticos que, associados com as causas desses eventos, fornecem subsídios fundamentais a ações de melhoramentos estruturados da ins-
talação. Essas taxas de falha são computadas a partir da Equação (2.1) (Bezerra et al., 1995).
I N Ao L = × × 100 (2.1)
Em que:
● N – número de falhas no período de observação;
● Ao – tempo de observação em anos;
● L – extensão da linha em km.
Na Figura 2.1, encontram-se ilustrados gráficos de barras que ressaltam as causas de diversas ocorrências em uma linha de transmissão.
Queda
Queda
Esses registros são agrupados em falhas transitórias e falhas permanentes. As falhas transitórias são aquelas em que não se faz necessária a ação da manutenção para recompor a linha de transmissão ao seu estado operacional, pois a causa da falha é autoextinta. Já as falhas permanentes conduzem à necessidade de ações de equipes de manutenção para reporem a linha à operação.
Nos exemplos formulados na Figura 2.1, observa-se a necessidade de atenção especial quanto à poluição em isoladores a fim de minimizar as falhas transitórias; e, no vandalismo, para restringir as falhas permanentes. A estruturação adequada desses dados permite computar as taxas de falha por 100 km/ano, a qual pode ser obtida a partir da Equação (2.1). Essa equação pode ser reescrita de tal forma a computar a taxa de falha para um grupo de linhas, o qual pode caracterizar, por exemplo, o sistema de 230 kV, ou 500 kV, da empresa. Tal reformulação conduz à Equação (2.2).
Figura 2 1 Taxas de falha em linhas de transmissão.
Poluição
Queimada
Cabo Pr.
Desc. atm Mato alto
Vandalismo
Queda árvore
estrutura
Oxidação Vibração
CAPÍTULO 3
Cabos condutores para linhas de transmissão e distribuição
Este capítulo inicia o tema voltado para a análise das características físicas de uma linha de transmissão. De uma forma mais abrangente, pode ser afirmado que essas características ditam o comportamento da linha em regime normal de operação ou em situações transitórias. Daí a conveniência de, nos estudos de uma linha de transmissão, proceder-se, inicialmente, a um exame de suas características físicas e dos elementos que as compõem.
Resumidamente, uma linha aérea de transmissão de energia é composta por cabos condutores, isoladores e ferragens, estruturas suportes e cabos para-raios, conforme ilustrações contidas na Figura 3.1.
Cabo de guarda ou para-raios PR
Condutores
Isoladores
Estruturas
Suporte
Fundações
Numa visão elétrica, focando na necessidade de transmissão de uma determinada potência, essa grandeza pode ser determinada pelo produto da tensão pela corrente. Em uma linha, a corrente é assegurada pelo cabo condutor, enquanto a tensão é mantida pelos demais componentes. Portanto, cada um desses elementos desempenha o seu papel na missão de transmitir a energia elétrica necessária às cargas demandadas. Neste capítulo, será abordado especificamente o cabo condutor, ficando a análise dos demais componentes para os capítulos posteriores.
Em seu papel de transmitir a corrente elétrica, o condutor deve se caracterizar por possuir alta condutibilidade, baixo custo, boa resistência mecânica, baixo peso específico e alta resistência à oxidação causada por agentes químicos poluentes. Os materiais que atendem parcialmente a essas características são o cobre, o alumínio e suas ligas. O cobre maciço foi o material mais utilizado nos primórdios da transmissão de energia elétrica. Diante de seu custo e peso específico, o alumínio passou a ocupar esse espaço (Luna, 2006).
3.1 ASPECTOS
NORMATIVOS
O uso de fios foi abandonado em favor dos cabos, obtidos por encordoamento de fios elementares. A título de padronização, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) se baseava na americana American Wire Gauge (AWG), a qual estabeleceu a chamada base “circular mil”: corresponde à área de um círculo cujo diâmetro é igual a um milésimo de polegadas (0,00064516 mm2). A norma brasileira atual, NBR 7270 (Cabos de alumínio nus com alma de aço zincado para linhas aéreas), adota o diâmetro em milímetros.
Figura 3 .1 Partes componentes de uma linha de transmissão. Fonte: adaptada de Fuchs; Almeida (2005).
CAPÍTULO 4 Isoladores para linhas de transmissão
Basicamente, a função dos isoladores é suspender os condutores, isolando-os das estruturas, conforme ilustração contida na Figura 4.1. No desempenho dessa importante missão, os isoladores são submetidos a diversas solicitações mecânicas:
● forças verticais exercidas pelo peso dos condutores, ferragens e acessórios;
● forças horizontais axiais exercidas pela diferença de tração entre vãos adjacentes;
● forças horizontais transversais exercidas pelo vento pressionando os condutores.
Por outro lado, esse componente também tem de suportar as solicitações elétricas impostas, as quais são agrupadas em:
● tensão normal e sobretensões em frequência industrial;
● surtos de sobretensões de manobra;
● sobretensões de origem atmosférica.
No desempenho de suas funções, entretanto, os isoladores podem vir a falhar. Esses eventos indesejáveis se caracterizam por falhas internas e falhas externas. As falhas internas, também chamadas de perfuração, estão intrinsecamente relacionadas com a existência de bolhas ou trincas incorporadas, ou com o processo de fabricação ou na montagem das cadeias nas estruturas, respectivamente.
Diante dessas solicitações impostas durante todo o tempo de vida útil, os isoladores devem possuir características que incorporem extrema robustez, durabilidade, resistência a choques térmicos e perfeito acabamento que permita minimizar o efeito corona e suportar a agressividade da poluição ambiental reinante.
4.1 BREVE HISTÓRICO SOBRE O DESENVOLVIMENTO
DOS ISOLADORES
Após a borracha, inicialmente utilizada como isolante, passou-se a usar a porcelana, o vidro e materiais poliméricos. Na Figura 4.2, é ilustrado estatisticamente um retrato da aplicação desses materiais como isolantes para linhas de transmissão. Observa-se o agrupamento por classe de tensão (inferiores a 230 kV e superiores a 230
Figura 4 1 Linha aérea e seus isoladores suportando os cabos condutores.
CAPÍTULO 5
Ferragens e acessórios para linhas de transmissão
No processo de transmissão de energia elétrica através de linhas aéreas, além dos isoladores, uma série de outros componentes são responsáveis por manter o isolamento dos cabos condutores. Alguns acessórios e a própria estrutura são componentes coadjuvantes que cumprem esse papel. Serão abordadas a seguir as ferragens e os acessórios comumente utilizados em linhas de transmissão.
5.1 O GRAMPO DE SUSPENSÃO
O grampo de suspensão é um componente essencial para conectar mecanicamente o cabo condutor à cadeia de isoladores. Na Figura 5.1, é apresentada uma ilustração do grampo de suspensão convencional (triarticulado) que se propõe a desempenhar essa função. Representa uma evolução às primeiras ideias, pois incorporou graus de liberdade ao cabo condutor, com o propósito de reduzir danos por vibração eólica.
Figura 5 .1 Grampo de suspensão triarticulado.
Fonte: Fuchs, 2015.
Na Figura 5.2 é apresentado um grampo de suspensão que desempenha a função de conexão mecânica citada anteriormente.
Figura 5 2 Componente “grampo de suspensão” desempenhando a sua função em uma linha.
Mesmo com a incorporação dos graus de liberdade mencionados, esses grampos sofreram evoluções para procurarem evitar os danos acumulativos associados às ações das vibrações eólicas. Na Figura 5.3, está apresentada uma ilustração de um grampo de suspensão mais moderno, no qual o cabo condutor é conectado à cadeia de isoladores em três etapas: coxim de neoprene (elemento preto), armaduras pré-formadas, que envolvem o coxim e distribuem os esforços de sustentação aplicados ao cabo, e, finalmente, o próprio grampo, em um formato cilíndrico que abraça as armaduras. Esse conjunto é denominado “grampo armado” e suaviza os esforços envolvidos, minimizando os danos já citados.
CAPÍTULO 6 Estruturas para linhas de transmissão e distribuição
Neste capítulo será abordado um componente fundamental para assegurar o isolamento dos cabos condutores de linhas aéreas de transmissão e distribuição de energia elétrica: as estruturas suportes.
6.1 DIMENSIONAMENTO BÁSICO DAS ESTRUTURAS
As dimensões e formas das estruturas dependem de vários fatores (Fuchs, 2015):
● disposição dos condutores;
● distância entre os condutores;
● dimensões e formas de isolamento;
● flecha dos condutores;
● alturas de segurança;
● função mecânica a ser desempenhada;
● formas de resistir às forças atuantes;
● materiais que compõem a estrutura; e
● número de circuitos a suportar.
Quanto à disposição dos condutores, tradicionalmente são triangular, horizontal ou vertical. Algumas formas não tradicionais têm sido praticadas, no sentido de aumentar a potência natural das linhas, seguindo a tendência de linhas de potência natural elevada (LPNE).
Quanto às funções das estruturas, elas podem ser projetadas para suportar cargas verticais, horizontais transversais, e/ou cargas horizontais longitudinais. Por tipo de carga a suportar, as estruturas podem ser classificadas em estruturas de suspensão (suportam cargas verticais), de ancoragem (suportam cargas longitudinais e são também chamadas de amarração), para ângulos (podem ser de suspensão ou ancoragem, a depender da intensidade do ângulo), de derivação e de transposição.
Quanto à forma de resistir, as estruturas podem ser classificadas em autoportantes (rígidas, flexíveis, mistas ou semirrígidas) ou estaiadas. As estruturas autoportantes, como o próprio nome diz, sustentam-se sozinhas, utilizando quatro pontos de apoio ao solo, mas um uso intensivo de aço para prover essa característica. Já as estaiadas requerem a aplicação de quatro estais para suprir a estabilidade necessária, como veremos adiante. Nas Figuras 6.1 e 6.2 são ilustradas algumas estruturas utilizadas em linha de transmissão.
6 1 Estruturas tradicionalmente utilizadas em 69 kV, todas em suspensão, (A) triangular assimétrica e (B) triangular simétrica.
Fonte: adaptada de Fuchs, 2015.
Figura
CAPÍTULO 7
Impactos ambientais
de linhas de transmissão
A escolha do traçado de uma linha aérea de transmissão de energia elétrica representa uma etapa das mais importantes do planejamento da expansão de um sistema de potência. É nessa ocasião que são agrupados especialistas multidisciplinares no intuito de se buscar um traçado o menos impactante possível para o meio ambiente. A título de ilustração, na Figura 7.1 são registradas diversas alternativas analisadas, à luz de uma fotografia obtida por satélite, para o trajeto otimizado da linha de transmissão Recife II – Pau Ferro, da Chesf. O objetivo era evitar ao máximo a passagem sobre as manchas verdes, indicativas da presença da Mata Atlântica.
Fonte: adaptada de imagem cedida por Chesf.
O resultado dessas análises nem sempre leva ao menor trajeto. Para o caso específico, inclusive, o traçado escolhido foi o mais longo, porém, o menos impactante (indicado em cinza-claro). Na Figura 7.2, é registrada a foto de uma situação associada ao desmatamento para construção de uma linha de transmissão, caracterizando o objetivo de se buscar traçado que evite tais distúrbios ao ambiente.
Figura 7 .1 Escolha do traçado da linha de transmissão Recife II – Pau Ferro.
Figura 7 2 Trecho desmatado para montagem de linha de transmissão.
Fonte: cortesia Chesf.
MAPA DE LOCALIZAÇÃO DA LT 730 RV RFOFF 7-PAU DE FERRO
Mata Atlântica
CAPÍTULO 8
Proteção de linhas de transmissão contra descargas atmosféricas
Nos estudos de qualquer sistema aéreo de transmissão de energia elétrica, é de fundamental importância considerar a necessidade da utilização de cabos para-raios sobre as linhas. Para avaliar essa necessidade, como também as características desse sistema de proteção, torna-se conveniente estudar inicialmente o surgimento e comportamento das descargas atmosféricas.
8.1 A FORMAÇÃO DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
A ocorrência de uma descarga atmosférica pode ser definida como o rompimento da isolação em ar entre duas superfícies carregadas eletricamente com polaridades opostas (as nuvens e a superfície terrestre). Na formação dessa polarização, pode-se dizer que as correntes ascendentes de ar, por evaporação, tendem a transportar as partículas positivas, pequenas gotas d’água, para a parte superior da nuvem, enquanto as partículas negativas são levadas para a base da nuvem pelas grandes gotas d’água (D’Ajuz, 1987).
Portanto, na maioria dos casos, um grande centro de carga negativa é desenvolvido na região inferior da nuvem, enquanto um centro de cargas positivas é induzido na terra, resultando em uma diferença de potencial entre a nuvem e a terra. Os centros de carga continuam a desenvolver-se até que o gradiente elétrico, numa
concentração de cargas na nuvem ou na terra, exceda a suportabilidade do ar, provocando o movimento de cargas em direção à terra (ou à nuvem). Essa suportabilidade é da ordem de 30 kV/cm para o ar seco, nas condições atmosféricas padronizadas (D’Ajuz, 1987).
O processo de desenvolvimento da descarga se dá em uma série de degraus, cada um deles tendo de 15 a 50 m de comprimento. Os degraus são retos, porém, cada novo degrau toma geralmente uma direção diferente, surgem ramificações, podendo se autoextinguir no ar, causando o aspecto tortuoso característico das descargas, conforme pode ser visto na Figura 8.1.
(a) Início da Propagação
(c) Corrente de Retorno
Figura 8 .1 Processo de desenvolvimento da descarga atmosférica. Fonte: adaptada de D’Ajuz, 1987.
(b) Processo quase Completo
(d) Centro de Carga Descarregado
Após a descarga do centro de cargas, desenvolve-se uma elevada diferença de potencial entre esse centro e outro centro qualquer, dentro da nuvem. São criados
CAPÍTULO 9 O processo de energização de uma linha de transmissão
Neste capítulo, será analisado, inicialmente de forma simplificada, o que ocorre quando uma linha é energizada, desde o seu terminal emissor até o seu terminal receptor. Nesse primeiro contato com o tema, para contextualizar os fenômenos presentes, a linha será considerada ideal, ou seja, sem perdas (sem elemento resistivo série ou condutivo em paralelo).
9.1 ANÁLISE SIMPLIFICADA
Nesta modelagem simplificada, a linha pode ser representada conforme circuito unifilar apresentado na Figura 9.1, na qual se encontram presentes: uma fonte em corrente contínua (“U”), a chave que será fechada no instante “t=0”, o terminal emissor com tensão representada por “U1“, as indutâncias série “l” e as capacitâncias paralelas “c”, presentes em cada segmento elementar de linha, “∆x”, e o terminal receptor, submetido à tensão “U2”. A linha possui um comprimento total “L” km.
9 1 Representação unifilar de uma linha ideal.
Fonte: adaptada de Fuchs, 2015.
Após decorrido um intervalo de tempo “∆t” do fechamento da chave, o gráfico do perfil da tensão ao longo da linha encontra-se representado na Figura 9.2. Neste gráfico, para o período analisado, observa-se que seria energizado, apenas, o primeiro segmento elementar de linha “∆x”. Tal energização fica caracterizada pelo surgimento de uma tensão “U” no primeiro capacitor “∆x.c” e a passagem de uma corrente “I” no primeiro indutor “∆x.l”.
Esse mesmo gráfico, decorridos dois intervalos de tempo “∆t”, teria a forma apresentada na Figura 9.3, na qual se observa que dois segmentos elementares estariam energizados. A partir dessa figura se infere, também, que o processo de energização terá uma velocidade dada por = LT / , em que T representa o tempo para que a tensão no receptor venha a ser submetida ao valor “U”.
Figura
Figura 9 2 Gráfico do perfil da tensão ao longo da linha, decorrido o tempo “Δt”.
CAPÍTULO 10
Desenvolvimento e aplicação de modelos aproximados para linhas de transmissão
Nos cálculos das linhas de transmissão, procura-se, em geral, obter valores de tensões, correntes e potências, com erros inferiores a 0,5%.
Essa precisão estabelece, geralmente, a necessidade de emprego de processos mais ou menos exatos e, por conseguinte, mais ou menos trabalhosos.
Para balizar a aplicação desses modelos, será introduzido inicialmente o conceito de regulação de uma linha de transmissão. Esse conceito é regido matematicamente pela Equação (10.1).
Em que:
● U1 – Tensão eficaz no terminal 1;
● U2 – Tensão eficaz no terminal 2.
Seu valor depende do regime de carga da linha (principalmente potência reativa transmitida), como também dos parâmetros elétricos das linhas. Poderá ser positivo ou negativo (por exemplo, nas linhas médias ou longas que operam em vazio, ou com carga leve). Pode ser controlado atuando-se sobre o fator de potência da carga, ou sobre os parâmetros da linha.
Ao partir das equações gerais das linhas de transmissão (9.40), fazendo x=L, obtêm-se as Equações (10.2).
Em funções hiperbólicas, essas equações podem ser colocadas na forma (10.3).
Lembrando que
e que
CAPÍTULO 11
Cálculo e medição de parâmetros elétricos de linhas de transmissão
O transporte de energia é significativamente influenciado pelos valores dos parâmetros elétricos de suas linhas. A determinação desses parâmetros dentro de um mínimo rigor matemático é necessária. Seus valores dependem de sua configuração física e do meio no qual se encontram os condutores. Avaliações posteriores desses parâmetros por meio de medições têm sido perseguidas, com ênfase nos métodos que mantêm a linha em operação. As imprecisões na caracterização desses parâmetros podem levar a diversas consequências para o sistema elétrico, quais sejam (Silva, 2008):
● divergências nas medições operacionais;
● compensação de reativos além do necessário;
● extrapolação nos limites de segurança do sistema;
● alarmes indevidos nos sistemas de controle e supervisão;
● operação indevida da proteção.
11.1 METODOLOGIA DE CÁLCULO DOS PARÂMETROS ELÉTRICOS
São descritas a seguir as metodologias para cálculo dos parâmetros elétricos de uma linha aérea de transmissão em corrente alternada senoidal. Serão enfocados os cálculos de reatância indutiva, reatância capacitiva, resistência e condutância de dispersão. Nessa primeira parte, serão abordados os dois primeiros parâmetros e exemplos de aplicativos computacionais utilizados.
11.1.1 Cálculo da reatância indutiva
No que tange à reatância indutiva, considere um grupo de “n” condutores, e a indutância seria obtida a partir de (11.1), considerando o efeito do solo (Fuchs, 2015).
Em que:
● hi – altura do condutor “i” em relação ao sono, em metros;
● dij – distância do condutor “i” ao condutor “j”, em metros;
● D ij – distância do condutor “i” à imagem do condutor “j”, em metros;
● k = 2x10-7;
● r'i – raio de condutor fictício que não possui fluxo magnético interno, dado por . Matricialmente, a indutância seria obtida por: [L]=k[F], em que [F] é denominada “matriz dos coeficientes de campo”, sendo: fkLn hr ii ii ’ 2/ , coeficientes de campo próprios, e fkLn Dd ij ij ij / , coeficientes de campo mútuos. A equação das reatâncias indutivas x em ohm/km seria dada por (11.2).
F L (11.2)
CAPÍTULO 12 Confiabilidade da transmissão e distribuição
A confiabilidade das linhas de transmissão e de distribuição está diretamente correlacionada com o investimento feito nas etapas de planejamento, projeto, comissionamento, construção e manutenção. A escolha adequada dos padrões estruturais e materiais que comporão o empreendimento dita o desempenho esperado das linhas. Entretanto, ações permanentes de manutenção podem preservar ou fazer deteriorar esse desempenho esperado.
O desempenho da instalação é degradado por falhas, as quais exigem a sua manutenção corretiva ou o seu desligamento emergencial, atendendo a programações voltadas para eliminação de defeitos que poderiam levar à indisponibilidade intempestiva da instalação.
Nesse contexto, este capítulo focará ações voltadas para assegurar índices de confiabilidade adequados às linhas de transmissão e distribuição. Vale ressaltar que manter linhas de transmissão e distribuição representa uma atividade que envolve grandes recursos de uma empresa de energia elétrica, razão pela qual se torna muito importante uma modernização permanente dos processos empregados, buscando-se com isso a melhoria contínua da estratégia empresarial na alocação desses recursos.
12.1 ESTRUTURA DE MANUTENÇÃO
A estrutura de manutenção deve ser alicerçada nos seguintes aspectos básicos (Bezerra; Araújo, 1997): padronização, priorização, reprogramação, cadastramento, retroalimentação, compatibilização com os recursos humanos e aprendizado contínuo.
Na padronização, busca-se assegurar que as equipes de manutenção falem a mesma linguagem no processo de diagnosticar o estado das instalações, relatar a execução dos serviços e registrar ocorrências no sistema.
A priorização está voltada para nortear, de forma otimizada, as ações das equipes de manutenção, diante de todos os diagnósticos registrados.
A reprogramação é direcionada para assegurar que diagnósticos pendentes sejam efetivamente considerados no ciclo de manutenção seguinte desde que o novo estado do sistema ainda caracterize a prioridade do defeito pendente, diante de novos diagnósticos registrados.
O cadastramento da instalação é fundamental de tal forma a se registrar adequadamente as características técnicas básicas e operacionais, como também todas as estruturas e respectivos vãos de frente constituintes de cada linha. Ou seja, representa o marco referencial de cada linha.
Na retroalimentação se procura assegurar que os diagnósticos pendentes sejam devidamente avaliados evolutivamente quanto ao estado de degradação do defeito, de tal forma a direcionar a prioridade na programação/execução dos serviços, no ciclo de manutenção subsequente.
Na compatibilização com os recursos humanos disponíveis são avaliados/ponderados os serviços que serão efetivamente programados, em atendimento às prioridades estabelecidas, limitando tal programação à disponibilidade de recursos humanos, no novo ciclo de manutenção.
O aprendizado representa algo contínuo, que deve ser observado em sua essência, de tal forma que todo o processo seja acompanhado e reformulado a depender dos resultados técnicos e econômicos alcançados.
12.2 FOCO ESPECIAL NAS INSPEÇÕES
A linha aérea de transmissão ou distribuição de energia elétrica representa um equipamento de grande extensão, no qual os seus diversos componentes estão quase integralmente à vista. Isso enseja que a manutenção preventiva seja intensivamente galgada em inspeções visuais ou instrumentalizadas periódicas. Tradicionalmente, as inspeções podem ser classificadas em terrestres e aéreas. As terrestres são agrupadas e caracterizadas da seguinte forma (Bezerra; Cavalcanti, 1994):
CAPÍTULO 13
Modelagem eletromecânica de linhas de transmissão
O comportamento eletromecânico de uma linha de transmissão estabelece as condições básicas para aferição de sua “ampacidade”. Esse termo está intrinsecamente relacionado com as distâncias verticais (clearances) condutor-solo. Representa um parâmetro fundamental na identificação da capacidade de carregamento elétrico de linhas de transmissão, no sentido de assegurar que os condutores, mesmo aquecidos pelo efeito Joule e pela ação do sol, não violem as condições de segurança estabelecidas em normas técnicas.
Por outro lado, a aferição dessas distâncias requer uma avaliação do comportamento eletromecânico da linha de transmissão, a partir da qual se possa identificar vãos críticos a serem corrigidos ou monitorados em condições de carregamento normal ou emergenciais.
Os modelos para cálculo dos limites operacionais de uma linha, no que tange à temperatura máxima que o condutor pode atingir sem violar as distâncias verticais, são aplicados no projeto e construção da linha, entretanto, com o passar do tempo, requerem aferições específicas de campo no intuito de levantar e/ou comparar premissas adotadas que podem ter sido alteradas ou por interferências de terceiros ou por distorções ambientais presentes. Uma outra situação aferida é a possibilidade de incorreções no modelo adotado ou em critérios construtivos.
13.1 A CURVA DE CARREGAMENTO DE UMA LINHA DE TRANSMISSÃO
Por meio de instrumentações específicas, em levantamento de campo é possível aferir as alturas dos condutores na ocasião do levantamento e inferir se tais alturas estão compatíveis com os critérios de segurança na operação da linha em seu limite térmico (Bezerra; Liberato; Eduardo, 1987). Tal metodologia permite expressar os limites operacionais em uma curva similar à apresentada na Figura 13.1.
A identificação de correções de altura a ser feita está diretamente associada à recuperação da ampacidade nominal da linha para que ela possa operar em seu limite térmico nominal (refurbishment), enquanto a busca de um perfil de alturas maiores do que as definidas no projeto da linha está associada ao aumento da ampacidade nominal, ou uprate, conforme definições registradas no Capítulo 1.
13.2 METODOLOGIA PARA AFERIÇÃO DOS LIMITES OPERACIONAIS
Para proceder à aferição dos limites de carregamento de uma linha já em operação, os levantamentos de campo podem ser realizados de forma expedita e simplificada em relação aos processos tradicionais associados a levantamentos topográficos. Podem ser realizados quando houver inspeções terrestres rotineiramente realizadas para aferir o estado da linha de transmissão. Os procedimentos ora descritos visam a definir as diretrizes necessárias para estabelecer de forma padronizada e uniforme os limites de carregamento em linhas aéreas de transmissão.
Figura 13 .1 Curva de carga de uma linha de transmissão.
Curta duração
Longa duração
Operação normal
Tempo
CAPÍTULO 14
Tecnologias para recapacitação de linhas de transmissão e considerações finais
Recapacitar linhas de transmissão com o propósito de dar sobrevida a um equipamento elétrico de potência é um tema que introduz, além de metodologias, a visão concreta de agregar capacidade adicional de transmissão de energia elétrica, sem perder de vista os aspectos relacionados a confiabilidade, segurança e sustentabilidade das soluções concebidas.
Assim como grandes bairros residenciais de grandes cidades cresceram demograficamente com o surgimento de arranha-céus, gerando uma maior concentração populacional por metro quadrado, é possível, por meio de desenvolvimento tecnológico, aumentar cada vez mais os blocos de energia transportados nas faixas já existentes de linhas de transmissão por metro quadrado, incrementando a sua eficiência e minimizando a implementação de novas faixas de passagem.
Nesse contexto, a busca por alternativas tecnológicas que incorporem o aproveitamento máximo da linha de transmissão em operação representa um objetivo sempre presente. A minimização dos impactos ambientais está também entranhada em toda a sua plenitude, uma vez que se evita ou se posterga a construção de uma nova linha, com todos os seus fatores impactantes.
Os primeiros passos para estruturar ações no setor elétrico voltados para corrigir e/ou expandir a capacidade de transmissão das linhas foram registrados na década de 1980. Desde aquela época, já se tinha em mente não apenas a necessidade de identificar os limites operacionais do sistema de transmissão, mas também a possibilidade de expandir esses limites. As buscas para o equacionamento dessas questões foram intensificadas, dada a carência de recursos e a expansão no consumo da energia elétrica propulsora do desenvolvimento social e industrial.
A Companhia Hidro Elétrica do São Francisco (Chesf) foi precursora desses estudos, dadas as necessidades prementes de dotar os seus órgãos operacionais de balizamentos que permitissem operar com segurança o seu sistema de transmissão. As metodologias elaboradas foram disseminadas em todo o sistema elétrico nacional, uma vez que o problema foi diagnosticado como similar às demais empresas congêneres. O advento de programas de pesquisa e desenvolvimento do setor elétrico nacional, coordenados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), alavancou o aprofundamento do tema. No tocante às metodologias descritas neste livro, os seguintes projetos de pesquisa contribuíram de forma significativa:
● Análise dos Métodos de Correção de Limites de Carregamento das Linhas de Transmissão da Celpe, concluído em 2006;
● Desenvolvimento de Metodologia para Mitigar Interferências Eletromagnéticas em LT’s – Chesf, concluído em 2009;
● Pesquisa de Novas Tecnologias para Repotencialização de Linhas de Subtransmissão – ED-AL (antiga Ceal), concluído em 2012;
● Novos Materiais Isolantes e Condutivos para Redução de Perdas Técnicas na Distribuição de Energia Elétrica – ED-AL (antiga Ceal), concluído em 2016.
Por outro lado, pesquisas acadêmicas se somaram complementarmente para embasar as alternativas de recapacitação. Dentre elas, destacam-se:
● Modelagem para repotencialização de linhas de transmissão por meio da aplicação de condutores especiais – dissertação de mestrado de Alexsandro Aleixo Pereira da Silva, defendida no PPGEE/UFPE em outubro de 2009;
● Proposta de tecnologia para recapacitação de linhas de transmissão baseado na relocação de estruturas de concreto – dissertação de mestrado de Lígia Verônica Genésio Pessoa, defendida no PPGEE/UFPE em janeiro de 2017;
● Modelagem e validação de técnicas de recapacitação de linhas de transmissão –dissertação de mestrado de Juliana Maciel Maia Beça, defendida no PPGEE/ UFPE em fevereiro de 2019;
O fornecimento de energia elétrica aos centros de consumo pode ocorrer de duas maneiras: por meio da geração local ou pela transmissão de energia a partir de fontes remotas. No primeiro caso, é necessária uma linha de transmissão de pequena extensão; já no segundo, surge a demanda por linhas de transmissão mais longas e com uma elevada classe de tensão.
A concepção dessas linhas, portanto, envolve uma série de estudos detalhados que abrangem o planejamento, o projeto, a construção e o comissionamento, culminando nas fases de operação, manutenção e monitoramento. Com o passar dos anos, pode ser necessário recapacitar a linha projetada, especialmente se seus limites operacionais forem superados. Essas linhas podem ser aéreas ou subterrâneas, de corrente alternada ou contínua, cada uma com aplicações específicas.
Dessa forma, o foco deste livro recai sobre as linhas aéreas de corrente alternada trifásica, compostas de cabos condutores, isoladores, ferragens, estruturas de suporte e cabos para-raios.
Ao longo da obra, o empreendimento “Linha de transmissão“ é amplamente caracterizado, com a descrição detalhada das suas etapas de concepção, dos atributos dos componentes e das modelagens operacionais, todas embasadas por rigorosas fundamentações físicas e matemáticas.
Além disso, são avaliadas as questões ambientais, assim como os indicadores de desempenho operacional, de modo a constituir parâmetros que garantam uma instalação ecologicamente sustentável e capaz de fornecer à sociedade moderna um insumo essencial, com os padrões de qualidade adequados.
